基于“组装-热解-重组”策略的双载体催化剂Prc@Co-Mn3O4/Mil-53(Fe)构建及其在抗生素降解中的高效应用

针对制药废水中抗生素污染难题，研究人员通过创新性“组装-热解-重组”策略，构建了具有双载体结构的Prc@Co-Mn3O4/Mil-53(Fe)催化剂。该材料在宽pH范围内高效活化PMS，15分钟内实现四环素（TC）完全降解（k=0.1511 min?1），并以非自由基途径（1O2为主导）实现污染物矿化，为工业废水处理提供了新型解决方案。

　　

随着全球医药产业扩张，抗生素污染已成为严峻的环境挑战。四环素类抗生素（TC）在废水中的浓度可达15 mg/L，远超WHO规定的100 μg/L安全限值。这类污染物不仅具有生物活性残留特性，其稳定代谢产物还会通过食物链富集，威胁生态系统和人类健康。传统芬顿技术存在铁泥二次污染、pH适用范围窄等缺陷，而金属有机框架（MOFs）衍生物虽具高催化活性却面临循环稳定性差的瓶颈。

为解决上述问题，国内研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，提出“组装-热解-重组”的创新策略。以酚醛树脂碳球（Prc）为载体，通过分步锚定Co-Mn₃O₄和Mil-53(Fe)纳米材料，构建出具有“无机载体-金属纳米载体”双重结构的Prc@Co-Mn₃O₄/Mil-53(Fe)催化剂。研究采用同步辐射（EXAFS/XANES）、电子顺磁共振（EPR）和HPLC-MS等技术，系统评估了材料性能与降解机制。

主要技术方法
通过ZIF-67/Mn-MOF在Prc上的原位组装与高温热解获得Co-Mn₃O₄活性位点，再通过溶剂热法负载Mil-53(Fe)构建双载体结构。采用DFT计算揭示界面活性位点的协同作用，结合EPR和淬灭实验鉴定活性氧物种（ROS），并利用T.E.S.T软件预测中间体生态毒性。

研究结果

1. 催化剂表征：TEM显示Mil-53(Fe)纳米片均匀包覆在珊瑚状Prc表面，XPS证实Co²⁺/Co³⁺和Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原对的共存，BET测得复合材料具有412 m²/g的高比表面积。
2. 降解性能：在pH 7.0、0.3 g/L催化剂和0.3 mM PMS条件下，15分钟内完全降解20 mg/L TC，速率常数达0.1511 min^?1，较单一组分提升3.2倍。
3. 机制解析：EPR检测到强¹O₂信号（相对贡献68.7%），DFT计算表明Mil-53(Fe)与Co-Mn₃O₄界面促进电子转移，降低PMS活化能垒。
4. 路径与毒性：HPLC-MS鉴定出11种中间体，T.E.S.T预测部分产物（如m/z 427）具有发育毒性。

结论与意义
该研究开创的“双载体”架构突破了传统催化剂设计范式，通过界面工程实现金属活性位点与MOF载体的协同增效。材料在5次循环后仍保持92%活性，且金属浸出量低于EPA标准。不仅为抗生素废水处理提供高效解决方案，其“组装-热解-重组”策略更为多功能催化材料设计开辟新途径，在环境修复与绿色化工领域具有广阔应用前景。